Radiazione elettromagnetica

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1 Spettroscopia

2 Radiazione elettromagnetica: energia che si propaga in un mezzo fenomeno ondulatorio dovuto alla propagazione simultanea nello spazio di un campo elettrico (E) e di uno magnetico (M) perpendicolari tra loro e oscillanti c = velocità luce = Km/s (o 3*10 8 m/s)

3 L insieme di tutte le radiazioni elettromagnetiche costituisce lo spettro elettromagnetico. ν Ogni fotone (elettrone) ha una quantità di energia discreta che dipende dalla frequenza, e quindi dalla lunghezza d onda, dell onda associata. Alta Frequenza = alta Energia oppure, bassa Lunghezza d Onda = alta Energia

4 Interazione Radiazione elettromagnetica-materia L interazione della radiazione elettromagnetica con la materia può portare a: o Deviazione della luce da parte della materia (scattering, riflessione, rifrazione, diffrazione). o Assorbimento energia trasferita dall onda alla materia. Stato fondamentale: livello energetico più basso della molecola (minor energia interna). assorbimento rilassamento Fonte: Principi di Metodologia Biochimica, Ed. Piccin, 2009 Stato fondamentale Stato eccitato: livello energetico maggiore ed instabile ritorno spontaneo allo stato fondamentale. Le specie chimiche accetteranno quantità determinate di energia, se la transizione è permessa, perché l energia di una molecola non varia in modo continuo ma per livelli definiti (quantizzata).

5 Fonte: Metodologie Biochimiche, Ed. Casa Editrice Ambrosiana, 2012 Le transizioni elettroniche singole sono visibili come righe Le transizioni sono visibili come bande, a causa della presenza di livelli di energia vibrazionale e rotazionale a) Moto traslazionale b) Moto rotazionale c) Moto vibrazionale Fonte: internet L energia utile per una transizione è caratteristica della molecola hanno effetto solo quelle radiazioni con energia (h* ) sufficiente a fare il salto energetico.

6 Spettroscopia di assorbimento UV/Visibile Valuta l assorbimento selettivo della radiazione elettromagnetica con lunghezza d onda compresa tra 10 nm e 780 nm UV lontano: nm (poco usato) UV vicino: nm Visibile: nm In cui: A = assorbanza b = cammino ottico (in cm) c = concentrazione della soluzione = coefficiente di estinzione alla lunghezza d onda considerata

7 In genere b è unitario e fisso, quindi c è una proporzionalità diretta tra A e c se mettiamo in grafico si ha una retta! Il suo coefficiente angolare rappresenta Un altra grandezza utile per esprimere l assorbimento è la Trasmittanza rapporto tra luce emergente dal campione (I) e luce incidente (I 0 ).

8 Spettrofotometro Gli strumenti usati per misurare l assorbimento della luce da parte di soluzioni sono detti spettrofotometri. Hanno diversi elementi: Sorgente di luce Monocromatore Compartimento campioni (porta cuvette) Rivelatore Indicatore del segnale Schema a blocchi di uno spettrofotometro

9 Sorgente di Luce Le lampade possono emettere nel visibile o nell UV. VISIBILE: lampade a filamento di tungsteno ( 330 nm 930 nm). Migliori sono le lampade tungsteno-alogeno, con energie più elevate e maggior durata. UV: lampade al deuterio, in cui il bulbo di quarzo è riempito di deuterio. Emette uno spettro continuo di radiazioni al di sotto dei 400 nm. Fonte: Analisi chimica strumentale, Ed. Zanichelli, 2000 a: lampada tungsteno. b: lampada tungsteno-alogeno c: lampada deuterio I porta-campioni vengono chiamati cuvette. Si usano cuvette diverse a seconda della regione spettrale in cui leggere il campione: visibile cuvette di vetro o plastica. UV cuvette di quarzo (non assorbono la radiazione UV). vetro (OS) quarzo (QS)

10 Monocromatori La luce policromatica viene «scomposta» in luce monocromatica (il più possibile) da un monocromatore. Luce monocromatica luce ad una particolare Due tipi principali di monocromatori: - filtri, assorbono parte della radiazione luminosa, facendo passare quella di interesse. - prismi e reticoli, separano la luce per rifrazione o diffrazione nelle componenti monocromatiche.

11 Rivelatore I più usati (e i migliori) sono i fotomoltiplicatori. Funzionamento Gli elettroni emessi dal catodo illuminato vengono accelerati da un campo elettrico acquistano energia. Quando colpiscono un altra superficie elettronicamente attiva (dinodo) liberano elettroni in numero maggiore rispetto a quelli iniziali (sfruttando l effetto fotoelettrico). Fonte: Analisi chimica strumentale, Ed. Zanichelli, 2000 Facendo accadere questi passaggi più volte, si amplifica il segnale: es. dopo 9 passaggi il fotone iniziale è stato amplificato di un fattore L uso dei fotomoltiplicatori permette di osservare anche alti assorbimenti della radiazione incidente.

12 Fluorescenza e fluorimetria Alcune molecole sono in grado di emettere luce visibile, in seguito ad una eccitazione. Fonte: Metodologie Biochimiche, Ed. Casa Editrice Ambrosiana, 2012 L assorbimento di un quanto di energia radiante (h ) porta la molecola dallo stato fondamentale ad uno eccitato. Lo stato eccitato è instabile ritorna al livello di partenza disperdendo energia Una parte di energia assorbita viene persa, mentre una parte viene emessa come luce che possiede perciò una energia minore rispetto a quella usata per l eccitazione (quindi maggior lunghezza d onda). Fluorimetria molecolare tecnica analitica utile per rivelare quantità piccolissime di sostanza fluorescente. E più sensibile della spettrofotometria.